电路参数测量

1、电路参数测量 方法： 直读法、电桥法、补偿法、谐振法、间接法 单比电桥（惠斯登电桥）单比电桥（惠斯登电桥） 直流双比电桥（凯尔文电桥）直流双比电桥（凯尔文电桥） 比较法测量电阻的电工仪器比较法测量电阻的电工仪器 测量准确度高测量准确度高 测量阻值范围广（毫欧测量阻值范围广（毫欧兆欧）兆欧）1. 电桥线路电桥线路 的引出的引出 直流电桥法直流电桥法第第1节节 单比电桥（惠斯登单比电桥（惠斯登Wheatstone电桥）电桥）AVRxNxRVVR21432RRRRx2134RRRRRx3241RRRR2. 结构结构3. 平衡条件平衡条件4. 桥路特点桥路特点,202220dRdIRRRISI2022

2、20dRdURRRUSUURRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRURUcd4322132432213232314131433221111342143213243221322222RRRRUURRRRRRURRRRRRRRRRRUScdUARRRR4321UAASU216. 实用单比电桥实用单比电桥213RRRRx213RRRRx RbRaK2%22%RRbaRxR 2213RRRRRx2213RRRRRx 2xxxRRR 2213222RRRRRRRRx右右左左左左右右左左 131RRK 312RRK 221xxxRRR第第2节节 直流双比电桥（凯尔文电桥）直流双比电桥（

3、凯尔文电桥）Rx 、RN引线电阻的处理引线电阻的处理 RNC1、 RxC1排除法排除法；引线电阻引线电阻r及及 RNC2、 RxC2的处理的处理 按比例分配法按比例分配法xNxNRRrrxxNNxNxNRrRrRRrrR3 、R4R3 、R4R1 、 R2 、与联动，与联动，以保证以保证 xNxNxxNNrrRRRrRrRR212143RRRRxNrrRR4321RRRRxNR3 、R4、 443333)(rRrRrrRrRa44334433)(rRrRrrRrRRb443344)(rRrRrrRrRc)()(2211NaxcRRrRRRrR334411224433441122)()()()(

4、rRrRrRrRrrRrRrRrrRRrRRNxxNNcRRRRRRRRRRrRRRRR12341243312R1 与与R2R3 与与R42143RRRRR1 与与R2R3 与与R4 交流电桥的一般问题交流电桥的一般问题一、交流电桥的基本结构与平衡条件一、交流电桥的基本结构与平衡条件结构结构 拓扑与直流电桥相同，但拓扑与直流电桥相同，但 Z可以是阻抗；可以是阻抗； 电源：为正弦波电源：为正弦波(工频或工频或1000Hz/1591.545Hz)； 指零仪器：电子式指零仪器指零仪器：电子式指零仪器(1uV)； 耳机耳机(10uV)；平衡条件平衡条件：D3241ZZZZ 4321ZZZZZZxx 则

5、则若若,设：设： 4321, jzXRZjjjjj 则由平衡条件，得出两个平衡方程式则由平衡条件，得出两个平衡方程式 2332144132324141XRXRXRXRXXRRXXRR或或 32413241 zzzz特点：特点： 桥臂的容抗、感抗要受到幅角条件的限制；桥臂的容抗、感抗要受到幅角条件的限制； 平衡条件有两个，因此要有两个可调参数；平衡条件有两个，因此要有两个可调参数； 调节时，两参数要反复调节；调节时，两参数要反复调节； 电源和指零仪可互换；电源和指零仪可互换； 平衡条件与电源电压无关；平衡条件与电源电压无关； 平衡条件与频率有无关系，取决于桥臂的安排；平衡条件与频率有无关系，取决

6、于桥臂的安排；实比实比虚比虚比实积实积虚积虚积结构分类结构分类实比电桥实比电桥相邻两桥臂之比为实数相邻两桥臂之比为实数 (R1 : R2； C1 : C2 )虚比电桥虚比电桥相邻两桥臂之比为虚数相邻两桥臂之比为虚数 (R1 : C2)实积电桥实积电桥相邻两桥臂之积为实数相邻两桥臂之积为实数 (R2 R3； C2C3 )虚积电桥虚积电桥相邻两桥臂之积为虚数相邻两桥臂之积为虚数 (R2 C3 R3C2)为了使平衡条件简单，通常某些桥臂为单一性质的元件。为了使平衡条件简单，通常某些桥臂为单一性质的元件。二、交流电桥的灵敏度二、交流电桥的灵敏度22ZZUScdU 定义定义D UZZZZZZZZUZZZ

7、UZZZUcd43214132433211 由由设电桥平衡时有，设电桥平衡时有，Z2Z3=Z1Z4。讨论在。讨论在平衡点的附近，平衡点的附近，Z2的变的变化引起化引起测量对角线两端的电压测量对角线两端的电压Ucd发生发生变化，由此变化，由此 4321324322141322ZZZZZZUZZZZZZZZZZUcd UAAUZZZZZZZZUScdU2432132221 因此因此4321ZZZZA 式式中中下面求下面求灵敏度的最大值灵敏度的最大值因此因此21214321 zzaZZZZA设设 22211aaaajaaUSU cossincos S SU U加绝对值是因加绝对值是因为指零仪表只能为

8、指零仪表只能反映电压幅度的反映电压幅度的变化，不能反映变化，不能反映相位。相位。10 aUSaU得得令令, cosmax 121USU极极值值：21211 ;zza结结论论：U419021最最大大灵灵敏敏度度为为时时，当当 D 交流电桥的电源和指零仪可互换。从合适的选择可提高交流电桥的电源和指零仪可互换。从合适的选择可提高电桥的灵敏度。电桥的灵敏度。 UZZZZZZZZUcd43214132 三、交流电桥的收敛性三、交流电桥的收敛性 平衡条件有两个，因此要有两个可调参数；平衡条件有两个，因此要有两个可调参数； 调节时，两参数要反复调节；调节时，两参数要反复调节；收敛过程收敛过程：随着可调参数的

9、不断调节，：随着可调参数的不断调节，Ucd逐渐趋于零的过程。逐渐趋于零的过程。收敛过程的快慢决定了收敛性的优劣。收敛过程的快慢决定了收敛性的优劣。收敛性与可调参数的选取有关。收敛性与可调参数的选取有关。若若Ucd0，只要考虑上式中的分子趋于零。只要考虑上式中的分子趋于零。VWCjRRCjRRZZZZxx 3324324111 在复平面上画出在复平面上画出W、V线。线。 W 线线与与V线线顶点的距离顶点的距离反映了测量对角线反映了测量对角线两端电压的大小。两端电压的大小。横坐标变化横坐标变化纵坐标不变纵坐标不变调节调节R3时，时，V线线模变化模变化相角不变；相角不变；调节调节R4时，时，W线线调

10、节顺序：调节顺序： 调节调节R4(W0W1) 调节调节R3(V0V1) 调节调节R4(W1W2) 调节调节R3(V1V2) . W线与线与V线相交。线相交。xV线线W线线 W0V0 W1V1W2V2 收敛角：分别调节两个可调参数时得到的向量端点的两轨迹收敛角：分别调节两个可调参数时得到的向量端点的两轨迹 的夹角，称为收敛角。的夹角，称为收敛角。收敛角收敛角 =90 时，时，收敛性最好。收敛性最好。上例中，选择上例中，选择R3、R4为可调参数时，收敛角为为可调参数时，收敛角为 = x若选择可调参数为若选择可调参数为R3、C3，(如下图所示如下图所示) 332411CjRRCjRRVWNxx x

11、C3变化变化 R3变化变化这种情况下，收敛角为这种情况下，收敛角为90 ，称为理想收敛。称为理想收敛。 若调节量是除被测臂以外的另一复数臂上阻抗的两个分量若调节量是除被测臂以外的另一复数臂上阻抗的两个分量时，总能得到时，总能得到理想收敛理想收敛。但这时。但这时灵敏度最低灵敏度最低。 灵敏度与收敛性的要求相矛盾。灵敏度与收敛性的要求相矛盾。四、交流电桥的分别读数四、交流电桥的分别读数分别读数分别读数：两个被测参数，各自分别只与一个可调参数有关，：两个被测参数，各自分别只与一个可调参数有关， 与另一个可调参数无关，称为分别读数。与另一个可调参数无关，称为分别读数。交流电桥要实现交流电桥要实现分别读

12、数分别读数，要求：，要求： 电桥只能有两个是复数桥臂，另两个为纯阻，或为纯电抗；电桥只能有两个是复数桥臂，另两个为纯阻，或为纯电抗； 两复数桥臂相邻时，应同为串联或并联；相对时，一个为两复数桥臂相邻时，应同为串联或并联；相对时，一个为 串联，另一个应为并联，反之亦然。串联，另一个应为并联，反之亦然。如前例，由平衡条件导出如前例，由平衡条件导出 324342CRRCRRRRxx若选择可调参数为若选择可调参数为R3、C3，则，则Rx只与只与R3有关；有关； Cx只与只与C3有关。有关。 常用的交流电桥线路常用的交流电桥线路一、选择线路时的考虑一、选择线路时的考虑1 1、明确被测量的性质、特点和要求

13、、明确被测量的性质、特点和要求(1) 被测量的等效参数与实测量被测量的等效参数与实测量例例 ppsspspsCRCRRRCC 111222tantantantan 有损耗的电容即可等效为串联模型有损耗的电容即可等效为串联模型(Rs-Cs)，也可等效为，也可等效为并联模型并联模型(Rp/Cp)UCUIRUsCsR UCIIRIpCpR 2 2、可能的技术设备条件、可能的技术设备条件3 3、选择线路或标准元件、选择线路或标准元件(2) 被测量的数量范围被测量的数量范围(3) 被测量的频率特性被测量的频率特性是否与频率有关是否与频率有关(4) 被测量的工作条件被测量的工作条件如高压条件，非线性条件如

14、高压条件，非线性条件主要考虑标准元件主要考虑标准元件CN：1, 0.5, 0.2, 0.1, 0.01, 0.001 F(定值定值) 10 (0.1+0.01+0.0001) F(电容箱电容箱)LN：100, 10, 1, 0.1mH(定值定值)；RN： 10 (10000+1+0.01) (电阻箱电阻箱) 线路简单，平衡条件尽量与线路简单，平衡条件尽量与f无关；无关； 尽量选用电容作为标准的电抗元件；尽量选用电容作为标准的电抗元件； 要保证可变电阻在合理的读数精度下使用；要保证可变电阻在合理的读数精度下使用；4 4、调节参数的选择、调节参数的选择 挑选一对调节量，尽量满足分别读数；挑选一对调

15、节量，尽量满足分别读数； 使收敛角尽量接近使收敛角尽量接近90 ； 对角线的安排，应得到较高的灵敏度；对角线的安排，应得到较高的灵敏度； 尽量选用可变电阻来代替可变电容，避免可变电感；尽量选用可变电阻来代替可变电容，避免可变电感；二、线路分析二、线路分析 分析平衡条件；分析平衡条件； 分析收敛性；分析收敛性； 分析分别读数；分析分别读数； 配置元件数值；配置元件数值； 分析有效的测量范围；分析有效的测量范围； 分析灵敏度；分析灵敏度；与与选择可调元件一起讨论选择可调元件一起讨论最简单的四臂电桥有几十种，较常用的有十几种。最简单的四臂电桥有几十种，较常用的有十几种。下面举例说明。下面举例说明。1

16、 . 平衡条件平衡条件1 1、串联串联C/C电桥电桥33324342CRCRCRRCRRRRxxxxx tan2 . 收敛性收敛性(1) 设可调元件为设可调元件为R3、R4 xxCjRRCjRRN 114332(2) 设可调元件为设可调元件为R3、C3 xxxxCjRRRNRN 901243耗散角耗散角收敛角收敛角 =90 ，理想收敛，理想收敛3 . 分别读数分别读数324342CRRCRRRRxx R3、C3为可调元件时，为可调元件时，可实现分别读数。可实现分别读数。4 . 测量范围测量范围 此桥不宜此桥不宜测量过小的电容，否则灵敏度过低。测量过小的电容，否则灵敏度过低。100pFXC=21

17、000C=1.7M . 此桥不宜此桥不宜测量过大的电容测量过大的电容100 FXC=21000C=1.7 . 从收敛角看，此桥宜从收敛角看，此桥宜测低损耗电容，但测低损耗电容，但 x不能太小。不能太小。由于由于33CRx tan ， x过小使过小使R3不宜做到。不宜做到。2 2、并、并联联C/C电桥电桥1 . 平衡条件平衡条件33324342CRCRCRRCRRRRxxxxx tan2 . 收敛性收敛性 调调R3、C3，为理想收敛，且可分别读，为理想收敛，且可分别读 Rx、Cx 调调R3、R4，可分别读，可分别读 Cx 、 tan x , = /2+ x3 . 适用范围适用范围适宜测量大损耗的

18、电容适宜测量大损耗的电容(但收敛性不好但收敛性不好)。(tan x过小，导致过小，导致R3过大，而不宜实现。过大，而不宜实现。) 此桥用于测量绝缘材料的此桥用于测量绝缘材料的电容和损耗；电容和损耗； 可调参数可调参数R2、R4，可直读，可直读Cx和和tan x； 要求要求C3为高压电容为高压电容。设计设计R1=2R2， R3=R4 ， C3=C4 ，则，则文氏文氏(Wien)电桥电桥9-3 测量频率的电桥测量频率的电桥R1R2R3R4C3C4f143432433421 CCRRRRCCRR 4421CRf 3 3、西林、西林( (ScheringSchering) )电桥电桥同步调节同步调节R

19、3、R4 ，可保证，可保证R3=R4 交流电桥的防护交流电桥的防护由于寄生因素引起的寄生电流和电压，这些由于寄生因素引起的寄生电流和电压，这些寄生因素寄生因素称为干扰。称为干扰。一一 、测量线路中的干扰及其影响测量线路中的干扰及其影响寄生因素：寄生因素：寄生电势寄生电势(如热电势，接触电势如热电势，接触电势)对直流量测电路起作用；对直流量测电路起作用； 内部线路之间的寄生联系内部线路之间的寄生联系(如绝缘漏电，电容性漏电如绝缘漏电，电容性漏电)； 外部电磁场产生。外部电磁场产生。dal(1) 弯线产生的电感和电容弯线产生的电感和电容下面给出一些经验值下面给出一些经验值daCladalL2631

20、0412412ln.ln dlCalMC(2) 导线自身电阻和对地电容导线自身电阻和对地电容100mm 0.1mm 220m 0.7pF100mm 0.5mm 8.9m 0.8pFl d R C100mm 0.5mm 0.05pF 0.015 H100mm 0.1mm 0.75pF 0.04 Hl a C M(3) 平衡导线间的电容和互感平衡导线间的电容和互感 交流电桥中寄生电容的作用往往比电导大，因此一般都交流电桥中寄生电容的作用往往比电导大，因此一般都研究寄生电容的影响。研究寄生电容的影响。 总之，对于桥路，各种干扰因素可能导致虚假平衡，总之，对于桥路，各种干扰因素可能导致虚假平衡，甚至不

21、能平衡。甚至不能平衡。 不加防护的交流电桥，其测量准确度很难达到不加防护的交流电桥，其测量准确度很难达到10-3。二、干扰的防护原则与主要措施二、干扰的防护原则与主要措施防护原则防护原则 消除根源，或防止影响消除根源，或防止影响 固定寄生联系；固定寄生联系； 削弱其影响，或不使其起作用削弱其影响，或不使其起作用主要措施：主要措施：(1) 选择抗干扰元件，选择连线，清净接头，细心布线，选择抗干扰元件，选择连线，清净接头，细心布线， 加强绝缘；加强绝缘； (2) 屏蔽防护屏蔽防护绝缘漏电屏蔽；绝缘漏电屏蔽； 静电屏蔽；静电屏蔽； 磁屏蔽磁屏蔽(铁磁屏蔽；涡流屏蔽铁磁屏蔽；涡流屏蔽)； (3) 选择

22、正确的屏蔽连接点选择正确的屏蔽连接点给屏蔽端合适的电位；给屏蔽端合适的电位； (等电位屏蔽，接地屏蔽等电位屏蔽，接地屏蔽)(6) 采用特殊的辅助电路和操作方法；采用特殊的辅助电路和操作方法；ZZZCaCbC0(a)元件的杂散元件的杂散 电场不确定电场不确定(b)元件加屏蔽元件加屏蔽 后的电场后的电场(c)元件加屏蔽元件加屏蔽 后等效电路后等效电路屏蔽接地；屏蔽接地；华纳接地；华纳接地； 有源交流电桥有源交流电桥应用与经典交流电桥的电子技术主要是应用与经典交流电桥的电子技术主要是运算放大器运算放大器器件。器件。运算放大器用于电桥线路主要有运算放大器用于电桥线路主要有两个作用两个作用隔离隔离 消除

23、了杂散电容的影响；消除了杂散电容的影响； 简化了辅助电路；简化了辅助电路； 改善了收敛性能；改善了收敛性能； 解决了电源和指零仪的公共接地端解决了电源和指零仪的公共接地端。 参数变换参数变换R(1-)RiUoUCCI例例 右图所示电路右图所示电路ioUU 1 iiioiCUCjUUCjUUCjI 1一、概述一、概述因此，可给出右图所示的等效电路。因此，可给出右图所示的等效电路。IUC/电桥的两种平衡方式电桥的两种平衡方式1. 电压平衡方式电压平衡方式平衡时，平衡时， 。21UU 这种平衡方式，由于指零仪这种平衡方式，由于指零仪两端不能接地，屏蔽措施要求高。两端不能接地，屏蔽措施要求高。+-+-

24、1U2U指零仪指零仪电压平衡电压平衡2. 电流平衡方式电流平衡方式平衡时，平衡时， 。0 iI 这种平衡方式，所有等效电这种平衡方式，所有等效电流源及指零仪有公共接地点，因流源及指零仪有公共接地点，因此对屏蔽措施要求不高。此对屏蔽措施要求不高。1I2I指指零零仪仪电流平衡电流平衡I 电流平衡方式要求指零仪的内电流平衡方式要求指零仪的内阻越小越好。阻越小越好。二、有源电桥二、有源电桥(类电桥类电桥)基本线路的导出基本线路的导出 右图所示为一经典电桥，它属右图所示为一经典电桥，它属于电压平衡方式。显然，指零仪与于电压平衡方式。显然，指零仪与电源电源无公共连接点无公共连接点。uSaZ1Z2Z3Z4D

25、b设指零仪内阻无穷大，则设指零仪内阻无穷大，则 SDUZZZZZZZZU43214132 对经典电桥引入运放，形成右对经典电桥引入运放，形成右图的桥路。尽管它仍是电压平衡式，图的桥路。尽管它仍是电压平衡式，其电源与指零仪有了其电源与指零仪有了公共连接点公共连接点。uoSUZZZU434 00212UUUZZZUS 经典交流电桥经典交流电桥Z1DZ2Z3Z4u+u-uS电压平衡式有源电桥电压平衡式有源电桥 SoUZZZZZZZU4313241 3241ZZZZ 电桥平衡时，电桥平衡时，U0=0，得到，得到对于运放，对于运放， ，即，即U+=U-，得到，得到 00 kUUU设指零仪内阻为零，设指零

26、仪内阻为零，右图为电压式有源电桥的改进电路。右图为电压式有源电桥的改进电路。桥路特点：桥路特点： 电源与指零仪有公共接地点；电源与指零仪有公共接地点； 桥路平衡时，桥路平衡时，u+、u-都为地电位。都为地电位。uoZ1DZ2Z3Z4I3uS电流平衡式有源电桥电流平衡式有源电桥I433ZUIS SUZZZI41241 SUZZZZZZZIII431324143 3241ZZZZ 电桥平衡时，电桥平衡时， I=0，得到，得到 上述的两个有源电桥也称类桥，或伪桥上述的两个有源电桥也称类桥，或伪桥(pseudo-bridge)。它们与经典电桥具有它们与经典电桥具有相同的平衡条件相同的平衡条件。但类桥的防护能力大。但类桥的防护能力大为提高。为提